用于直升机高原起降的可纠偏滑橇式起落架及其控制方法

1.本发明涉及滑橇式起落架纠偏领域，具体是一种用于直升机高原起降的可纠偏滑橇式起落架及其控制方法。


背景技术：

2.直升机高原起降通常是指直升机在高原机场执行相应的起降任务。直升机高原起降面临的最大困难来自于高原特殊的自然环境对直升机起飞、着陆和低空飞行造成的严重影响。高原环境的特殊性表现在海拔高，大气压力低，空气密度小以及复杂的地形。这种特殊的自然环境使直升机在高原起降时面临两个主要困难：一是发动机可用功率显著降低。高度越高，空气密度减小，旋翼可用功率就越低，产生升力越小。直升机在高原地区起飞时，就要采取措施减小起飞重量，包括减小载油量、减小载重量，这就使直升机在高原地区执行任务的能力会有较大幅度下降。近现代以来，高原直升机往往采用滑行式起飞降落的方式，通过增大初始速度来增大发动机进气量，解决了高原空气稀薄，发动机吸入的空气较少，造成动力不足的问题。
3.二是高原山地地形复杂，直升机高原起降时的环境多为雪地、沙地、沼泽地等着陆面，此类路面的特点为着陆面松软且路面起伏较大，对直升机起降安全构成很大威胁。然而，现有的高原直升机大多采用前三点轮式起落架，这种布局需要平整且坚实的机场跑道进行起降。高原起降时直升机的机动能力变差，直升机空中加减速所需距离增加，转弯半径增大，这就要求前三点轮式直升机需要更长更宽阔的跑道，在高原环境下布置这样的跑道显然是很难的。加上高原经常出现大风、扬沙、暴雪、浓雾等恶劣气候条件，让高原直升机准确降落到跑道变得尤为困难，对直升机高原起降很不利，对安全构成很大的威胁。
4.当前国内关于可纠偏滑橇式起落架的专利，主要是面向固定翼飞机的。公开号为cn109835471a的中国发明专利《一种可纠偏滑橇着陆装置》提出了一种带有着陆滑橇和纠偏滑橇的着陆装置，其通过液压作动筒驱动纠偏滑橇放下收起实现方向纠偏功能。但是液压作动筒的性能受环境温度影响较大，在高原低温环境影响下，可能导致液压作动筒性能变差甚至失灵；此外，液压作动筒结构复杂，重量较大，不适用于直升机高原起降对重量尽可能小的需求。
5.公开号为cn109774926a的中国发明专利《高超飞行器轮撬组合起降装置》提出了一种由机轮和滑橇组合纠偏的起降装置，其通过收起滑橇进而让机轮间歇性触地的方式来实现方向纠偏功能。公开号为cn111516862a的中国发明专利《一种适用于狭小收放空间的可纠偏带辅轮滑橇式着陆装置》提出了一种由滑橇和多个辅轮组合纠偏的起降装置，其通过多个辅轮间歇性触地提供的侧向力来实现方向纠偏功能。但以上两个专利由于机轮与路面接触面积较小，产生压强较大，因此并不适用于高原松软路面。同时，较大的机轮重量无法满足直升机高原起降的轻量化需求。
6.公开号为cn111498093a的中国发明专利《一种滑橇式起落架的纠偏系统》提出了一种由滑橇和阻力插销组合纠偏的起降装置，其通过将阻力插销插入地面增大阻力的方式
来实现方向纠偏，具有结构重量轻的优点。但是当阻力插销受到由于地面起伏引起的较大冲击力时，电机会受到很大的反扭矩，容易造成结构破坏；此外，交错轴斜齿轮机构承载能力较差，容易受到地面冲击力对啮齿带来的结构损伤。直升机滑行起降过程的安全性较差，不适用于直升机高原起降。


技术实现要素：

7.本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种专门用于高原直升机在雪地、沙地、沼泽地等路面松软且起伏较大的着陆面进行滑跑起降的可纠偏滑橇式起落架及其控制方法，对起降场地的要求更低，有更广泛的适用条件，应对极端环境的能力更强。
8.本发明提供了种用于直升机高原起降的可纠偏滑橇式起落架，包括支柱、无刷直流电机、万向节、蜗轮蜗杆机构、主滑橇以及纠偏滑橇；所述支柱与主滑橇通过旋转副连接，主滑橇具有绕支柱转动的旋转自由度，支柱内设置有无刷直流电机，无刷直流电机通过万向节与蜗轮蜗杆机构连接；所述蜗轮蜗杆机构包括设置在主滑橇内部相互啮合的蜗轮与蜗杆，其中，蜗杆上端与万向节下端旋转轴同轴固连，蜗杆底部通过旋转副与主滑橇底面连接，无刷直流电机通过万向节带动蜗杆绕其自身轴线旋转；所述蜗轮通过固定轴固定在主滑橇内部，蜗轮在蜗杆驱动下绕固定轴旋转；所述纠偏滑橇与蜗轮固连，由蜗轮转动驱动。
9.进一步改进，蜗轮蜗杆机构中的蜗轮和蜗杆组成自锁蜗杆机构。所述自锁蜗杆机构中，当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，实现反向自锁，即只能蜗杆带动蜗轮。当纠偏滑橇受到较大的地面冲击力时，其反向自锁性可避免电机受到反扭矩而造成结构破坏，对电机起安全保护作用。
10.进一步改进，所述万向节机构包括通过十字轴连接的主动万向节叉和从动万向节叉，主动万向节叉与无刷直流电机连接，从动万向节叉与蜗杆连接。
11.进一步改进，所述主滑橇与地面间的摩擦系数小于所述纠偏滑橇与地面间的摩擦系数。主起一侧的纠偏滑橇放下与地面产生压力后，该侧产生的摩擦力大于主起另一侧的摩擦力，从而产生纠偏力矩，起到对直升机滑行的纠偏作用。
12.进一步改进，所述纠偏滑橇采用长构型，能够有效增加接地时长，从而改善直升机的纠偏效果。
13.本发明还提供了一种用于直升机高原起降的可纠偏滑橇式起落架的控制方法，包括以下步骤：当直升机在滑跑过程中偏离跑道中心时，无刷直流电机通过万向节与蜗轮蜗杆机构的力传导作用使一侧纠偏滑橇触地，另一侧纠偏滑橇保持初始离地状态，两侧的地面摩擦力差值对机体产生的偏航力矩即为纠偏力矩，使直升机回到正常的滑跑轨迹；在不进行差动纠偏时，两侧纠偏滑橇离地不起刹车作用。
14.进一步改进，如果直升机滑行时朝左偏，则控制右侧纠偏滑橇放下触地，左侧纠偏滑橇收起离地，使直升机受到向右的纠偏力矩；如果直升机滑行时朝右偏，则控制左侧纠偏滑橇放下触地，右侧纠偏滑橇收起离地，使直升机受到向左的纠偏力矩。
15.本发明有益效果在于：1、地面滑行过程中主滑橇与纠偏滑橇触地面积较大，能很好地适应松软路面，同时避免因局部压强过大引起的结构损伤。
16.2、路面起伏较大时，起落架可能会发生局部离地的情况，纠偏滑橇采用长构型能
够有效增加接地时长，从而改善直升机的纠偏效果。
17.3、自锁蜗杆机构。当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。当纠偏滑橇受到较大的地面冲击力时，其反向自锁性可避免电机受到反扭矩而造成结构破坏，对电机起安全保护作用。
18.4、蜗轮蜗杆啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构。
19.5、相较于轮式起落架，此滑橇式起落架占用空间小，重量轻；传动结构简单可靠，维护成本低。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
21.图1是本专利的整体结构示意图；图2是本专利的无刷电机、万向节和蜗轮蜗杆配合作动的示意图；图3是本专利的万向节结构示意图；图4是本专利的蜗轮蜗杆结构示意图。
22.图中，1-支柱，2-无刷直流电机，3-万向节，4-主动万向节叉，5-从动万向节叉，6-十字轴，7-蜗杆，8-蜗轮，9-主滑橇，10-纠偏滑橇。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
24.如图1所示，本发明公开了一种用于直升机高原起降的可纠偏滑橇式起落架，包含支柱1、无刷直流电机2、万向节3、蜗轮蜗杆机构、主滑橇9以及纠偏滑橇10。
25.所述支柱1与所述主滑橇9相连，主滑橇9有一个旋转自由度，可以在地面滑行时适应路面的起伏。
26.所述无刷直流电机2固定在支柱1上，其输出轴和万向节的上端旋转轴同轴固连。
27.所述万向节3上端与支柱1同轴相连，仅有一个沿轴线自转的自由度，这一旋转运动由无刷直流电机驱动。
28.所述蜗轮蜗杆机构包括相互啮合的蜗轮8与蜗杆7，蜗轮与蜗杆均设置在主滑橇内，蜗杆上端与万向节下端旋转轴同轴固连，下端与主滑橇底面由一旋转副连接，使蜗杆可绕其轴自由旋转，蜗轮由一通过圆心的长轴固定，在蜗杆驱动下沿固定轴转动；所述纠偏滑橇与蜗轮固连，由蜗轮转动驱动运动。
29.如图2所示，所述无刷直流电机收到控制系统的作动指令后，驱动万向节转动，万向节带动蜗杆发生转动，蜗杆带动蜗轮旋转，随之带动与蜗轮固连的纠偏滑橇放下触地或
收起离地；所述主滑橇与地面间的摩擦系数小于所述纠偏滑橇与地面间的摩擦系数，主起一侧的纠偏滑橇放下与地面产生压力后，该侧产生的摩擦力大于主起另一侧的摩擦力，从而产生纠偏力矩，起到对直升机滑行的纠偏作用。
30.如果直升机滑行时朝左偏，则控制右侧纠偏滑橇放下触地，左侧纠偏滑橇收起离地，使直升机受到向右的纠偏力矩；如果直升机滑行时朝右偏，则控制左侧纠偏滑橇放下触地，右侧纠偏滑橇收起离地，使直升机受到向左的纠偏力矩。通过以上的过程实现直升机地面滑行时的方向纠偏。
31.如图3所示，所述万向节由主动万向节叉4、从动万向节叉5、十字轴6组成，主滑橇相对支柱发生转动时，万向节可以保证电机产生的扭矩稳定传导至纠偏滑橇。
32.如图4所示，所述蜗轮蜗杆机构由一个蜗轮和一个蜗杆相互啮合组成，这是一个自锁蜗杆机构。当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。当所述纠偏滑橇受到较大的地面冲击力时，其反向自锁性可避免电机遭受巨大反扭矩而造成结构破坏，对电机起安全保护作用。另外，蜗轮蜗杆机构的啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构，有效减轻了地面冲击力对啮齿带来的结构损伤。由此，提高了纠偏控制系统的可靠性和直升机滑行起降过程的安全性。
33.滑橇式起落架纠偏装置的工作原理如下：当直升机在滑跑过程中偏离跑道中心时，控制系统将指令传递给无刷直流电机。所述无刷直流电机通过万向节与蜗轮蜗杆机构的力传导作用使一侧纠偏滑橇触地，另一侧纠偏滑橇保持初始离地状态，两侧的地面摩擦力差值对机体产生的偏航力矩即为纠偏力矩，使直升机回到正常的滑跑轨迹。在不进行差动纠偏时，两侧纠偏滑橇离地不起刹车作用。
34.此处应特别提到，蜗轮蜗杆机构的自锁原理使外部冲击力不能对电机产生反扭矩，极大的保护了电机免遭结构破坏。同时蜗轮蜗杆机构的啮合齿面间为线接触，其承载能力远高于交错轴斜齿轮机构，有效减轻了地面冲击力对啮齿带来的结构损伤。提高了此纠偏控制系统的可靠性和直升机滑行起降过程的安全性。
35.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对于本技术领域的普通技术人员来说，可轻易想到的变化或替换，在不脱离本发明原理的前提下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种用于直升机高原起降的可纠偏滑橇式起落架，其特征在于：包括支柱、无刷直流电机、万向节、蜗轮蜗杆机构、主滑橇以及纠偏滑橇；所述支柱与主滑橇通过旋转副连接，主滑橇具有绕支柱转动的旋转自由度，支柱内设置有无刷直流电机，无刷直流电机通过万向节与蜗轮蜗杆机构连接；所述蜗轮蜗杆机构包括设置在主滑橇内部相互啮合的蜗轮与蜗杆，其中，蜗杆上端与万向节下端旋转轴同轴固连，蜗杆底部通过旋转副与主滑橇底面连接，无刷直流电机通过万向节带动蜗杆绕其自身轴线旋转；所述蜗轮通过固定轴固定在主滑橇内部，蜗轮在蜗杆驱动下绕固定轴旋转；所述纠偏滑橇与蜗轮固连，由蜗轮转动驱动。2.根据权利要求1所述的用于直升机高原起降的可纠偏滑橇式起落架，其特征在于：蜗轮蜗杆机构中的蜗轮和蜗杆组成自锁蜗杆机构。3.根据权利要求2所述的用于直升机高原起降的可纠偏滑橇式起落架，其特征在于：所述自锁蜗杆机构中，当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，实现反向自锁，即只能蜗杆带动蜗轮。4.根据权利要求1或2所述的用于直升机高原起降的可纠偏滑橇式起落架，其特征在于：所述万向节机构包括通过十字轴连接的主动万向节叉和从动万向节叉，主动万向节叉与无刷直流电机连接，从动万向节叉与蜗杆连接。5.根据权利要求1所述的用于直升机高原起降的可纠偏滑橇式起落架，其特征在于：所述主滑橇与地面间的摩擦系数小于所述纠偏滑橇与地面间的摩擦系数。6.根据权利要求1所述的用于直升机高原起降的可纠偏滑橇式起落架，其特征在于：所述纠偏滑橇采用长构型。7.一种用于直升机高原起降的可纠偏滑橇式起落架的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：当直升机在滑跑过程中偏离跑道中心时，无刷直流电机通过万向节与蜗轮蜗杆机构的力传导作用使一侧纠偏滑橇触地，另一侧纠偏滑橇保持初始离地状态，两侧的地面摩擦力差值对机体产生的偏航力矩即为纠偏力矩，使直升机回到正常的滑跑轨迹；在不进行差动纠偏时，两侧纠偏滑橇离地不起刹车作用。8.根据权利要求7所述用于直升机高原起降的可纠偏滑橇式起落架的控制方法，其特征在于：如果直升机滑行时朝左偏，则控制右侧纠偏滑橇放下触地，左侧纠偏滑橇收起离地，使直升机受到向右的纠偏力矩；如果直升机滑行时朝右偏，则控制左侧纠偏滑橇放下触地，右侧纠偏滑橇收起离地，使直升机受到向左的纠偏力矩。

技术总结
本发明提供了一种用于直升机高原起降的可纠偏滑橇式起落架及其控制方法，起落架包括支柱、无刷直流电机、万向节、蜗轮蜗杆机构、主滑橇以及纠偏滑橇。所述主滑橇与纠偏滑橇可有效适应高原雪地、沙地、沼泽地等松软且有起伏的道面；所述无刷直流电机通过万向节与蜗轮蜗杆机构的力传导作用使一侧纠偏滑橇触地，另一侧纠偏滑橇保持初始离地状态，两侧的地面摩擦力差值对机体产生的偏航力矩即为纠偏力矩，能够有效解决装配滑橇式起落架的直升机滑跑纠偏较为困难的问题；通过所述蜗轮蜗杆机构的自锁原理，在纠偏滑橇遭受来自不平路面的巨大冲击力时可避免电机受到反扭矩而造成结构破坏。击力时可避免电机受到反扭矩而造成结构破坏。击力时可避免电机受到反扭矩而造成结构破坏。


技术研发人员：尹乔之 牛泽岷 聂宏 孙浩 梁涛涛
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/4/18